Editors' notes

Further evidence for quark-matter cores in massive neutron stars

Preuve supplémentaire de l'existence de noyaux de quarks et de matière dans les étoiles à neutrons massives

par Johanna Pellinen, Université d'Helsinki

Vue d'artiste des différentes couches à l'intérieur d'une étoile à neutrons massive, le cercle rouge représentant un important noyau de quarks et de matière. Crédit : Jyrki Hokkanen, SCC

Les noyaux des étoiles à neutrons contiennent de la matière aux densités les plus élevées atteintes dans notre univers actuel, avec jusqu'à deux masses solaires de matière comprimées dans une sphère de 25 km de diamètre. Ces objets astrophysiques peuvent en effet être considérés comme des noyaux atomiques géants, dont la gravité comprime leurs noyaux à des densités dépassant de plusieurs fois celles des protons et des neutrons individuels.

Ces densités font des étoiles à neutrons des objets astrophysiques intéressants du point de vue de la physique des particules et de la physique nucléaire. Un problème ouvert de longue date est de savoir si l’immense pression centrale des étoiles à neutrons peut comprimer les protons et les neutrons dans une nouvelle phase de la matière, connue sous le nom de matière de quarks froids. Dans cet état exotique de la matière, les protons et les neutrons individuels n’existent plus.

"Les quarks et gluons qui les constituent sont libérés de leur confinement de couleur typique et peuvent se déplacer presque librement", explique Aleksi Vuorinen, professeur de physique théorique des particules à l'Université d'Helsinki.

Une transition de phase forte peut encore gâcher la journée

Dans un nouvel article publié dans Nature Communications, une équipe de l'Université d'Helsinki a fourni la toute première estimation quantitative de la probabilité de présence de noyaux de quarks et de matière à l'intérieur d'étoiles à neutrons massives. Ils ont montré que, sur la base des observations astrophysiques actuelles, la matière quark est presque inévitable dans les étoiles à neutrons les plus massives : une estimation quantitative extraite par l’équipe place la probabilité entre 80 et 90 %.

La faible probabilité restante que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire nécessite que le passage de la matière nucléaire à la matière quark soit une forte transition de phase de premier ordre, ressemblant quelque peu à celle de l'eau liquide se transformant en glace. Ce type de changement rapide dans les propriétés de la matière d'une étoile à neutrons a le potentiel de déstabiliser l'étoile de telle manière que la formation, même d'un minuscule noyau de matière de quarks, entraînerait l'effondrement de l'étoile en un trou noir.

La collaboration internationale entre des scientifiques de Finlande, de Norvège, d'Allemagne et des États-Unis a permis de montrer comment l'existence de noyaux de quarks et de matière pourrait un jour être pleinement confirmée ou infirmée. La clé est de pouvoir limiter la force de la transition de phase entre la matière nucléaire et la matière des quarks, ce qui devrait être possible une fois qu'un signal d'onde gravitationnelle provenant de la dernière partie d'une fusion binaire d'étoiles à neutrons sera un jour enregistré.

Massive supercomputer runs using observational data

Un ingrédient clé pour obtenir les nouveaux résultats était un ensemble de calculs massifs sur superordinateur utilisant l'inférence bayésienne, une branche de la déduction statistique où l'on déduit les probabilités de différents paramètres de modèle via une comparaison directe avec des données d'observation.

La composante bayésienne de l'étude a permis aux chercheurs de déduire de nouvelles limites pour les propriétés de la matière des étoiles à neutrons, démontrant qu'elles se rapprochent du comportement dit conforme à proximité des noyaux des étoiles à neutrons stables les plus massives.

Le Dr Joonas Nättilä, l'un des principaux auteurs de l'article, décrit le travail comme un effort interdisciplinaire nécessitant une expertise en astrophysique, en physique des particules et nucléaire, ainsi qu'en informatique. Il est sur le point de commencer comme professeur associé à l'Université d'Helsinki en mai 2024.

"Il est fascinant de voir concrètement comment chaque nouvelle observation d'étoile à neutrons permet de déduire les propriétés de la matière des étoiles à neutrons avec une précision croissante."

Joonas Hirvonen, titulaire d'un doctorat. étudiant travaillant sous la direction de Nättilä et Vuorinen, souligne en revanche l'importance du calcul haute performance :

"Nous avons dû utiliser des millions d'heures de calcul sur un supercalculateur pour pouvoir comparer nos prévisions théoriques aux observations et limiter la probabilité de noyaux de quarks-matière. 

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 COMMENTAIRES

1/C omment  obtenir expertalement des preuves d'une étoile à neutrons ?

Uns étoile a neutrons  est le résultat  d une supernova  et n emet pas dans le visible .Ainsi de nombreuses étoiles à neutrons sont probablement indétectables parce qu’elles n’émettent tout simplement pas suffisamment de rayonnement. Toutefois, sous certaines conditions, elles  peuvent être facilement observés. Une poignée d’étoiles à neutrons ont été découvertes au centre des restes de supernova émettant silencieusement des radiations bien localisables 

2/Pouvons-nous distinguer les étoiles à quarks des étoiles à neutrons grâce à des mesures de propriétés globales ?

D'après leur comparaison, nous voyons que les EOS des étoiles à quarks deviennent rigides plus tôt que ceux des étoiles à neutrons à faibles densités et sont plus mous que ceux des étoiles à neutrons à hautes densité 

3/ADDITIF /

C est  TOMAN OPPENHAYMER et  VOLKOFF   qui les premiers o,nt cherché a savoir  quelles etaient les limites  de masse pour produire une etoile a neutrons ou un trou noir   . Leurs resultats ont un peu changé  ;Une explosion de supernova laisse derrière elle un résidu extrêmement dense : Si c'était une étoile d'environ 10 masses solaires, ce résidu serait une étoile à neutron. Si c'était une étoile d'environ 30 masses solaires, ce serait un trou noir.MAIS IL N EXISTE A MON AVIS AUCUNE THEORIE  EXACTE POUR LE PREDIRE  !

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More information: Eemeli Annala et al, Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y

Journal information: Nature Communications 

Provided by University of Helsinki 

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